Hovedoppgave ved institutt for maskin og marin

Transkript

1 Hovedoppgave ved institutt for maskin og marin System for automatisk flushing og trykktesting av hydraulikkrør. - Undersøkelse av gjennomførbarhet og produksjon av prototype. Utdanning/kull/klasse: 11HUVT Innleveringsdato: Antall ord: Antall sider uten vedlegg: 83 Veileder: Boris Balakin Vi bekrefter at arbeidet er selvstendig utarbeidet, og at referanser/kildehenvisninger til alle kilder som er brukt i arbeidet er oppgitt, jfr. Forskrift om studier og eksamen ved Høgskolen i Bergen, 6-1.

2 HØGSKOLEN I BERGEN Avdeling for Ingeniørutdanning TITTELSIDE FOR BACHELOROPPGAVE Rapportens tittel: Dato: System for automatisk flushing og trykktesting av hydraulikkrør. Undersøkelse av gjennomførbarhet og produksjon Rapportnummer:M94 av prototype. Forfatter(e): Antall sider u/vedlegg: 80 Erik Hjertholm, Robin Sørensen Antall sider vedlegg: 80 Robin Sørensen Studieretning: Undervannsteknologi Antall elektroniske dokumenter: 22 Veileder ved HiB: Boris Balakin Gradering: Ingen Merknader: Oppdragsgiver: NTOS AS avdeling Askøy Oppdragsgivers referanse: Ivar Spjeld Oppdragsgivers kontaktperson: Ivar Spjeld Telefon: Sammendrag: Oppgaven gikk ut på å undersøke om det er gjennomførbart å lage et system som automatisk kan trykkteste og flushe hydraulikkrør. Systemet ble simulert på forskjellige måter for å bekrefte gjennomførbarhet med godt resultat. Det ble bygget en prototype med alle hydrauliske komponenter og styring. Denne ble testet og fungerte som planlagt etter å ha eliminert utfordringer med denne type systemer. Utfordringer med bygging og testing ble løst underveis, og resultatet er et system som med små modifikasjoner kan tas i bruk til det formål den er tenkt. Høgskolen i Bergen, Avdeling for ingeniørudanning Postadresse: Postboks 7030, 5020 BERGEN Besøksadresse: Nygårdsgaten 112, Bergen Tlf Fax E-post: post@hib.no Hjemmeside: 2

3 FORORD Dette er en avsluttende rapport fra arbeid med hovedoppgave ved instituttet for maskin og marin ved Høgskolen i Bergen. Hovedoppgaven har gått ut på å lage et system for automatisk flushing og trykktesting av hydrauliske rør. Oppgaven er gitt av NTOS AS, og store deler av arbeidet har foregått hos dem. Det har vært en veldig krevende oppgave og den har vært mye mer omfattende enn det vi hadde trodd på forhånd. Samtidig har vi lært utrolig mye, da mye av det vi har jobbet med har vært ukjent terreng som vi i stor grad har måttet finne ut av selv. I tillegg til dette er oppgaven meget flerfaglig bygget opp, hvilket har gjort den veldig interessant. Vi vil rette en stor takk til alle som har gitt oss hjelp og veiledning. Av disse kan vi nevne alle i NTOS AS avdeling Askøy, samt Simon Møllerstrøm på avdelingen på Ågotnes for hjelp med det hydrauliske systemet. På NTOS avdeling Askøy har vi blitt tatt meget godt hånd om med eget kontor, mulighet til å jobbe etter normal arbeidstid, lunsj osv. Alexander Furre har hjulpet oss å velge PLS-system. Geir Jonny Andersen har gitt oss tips i forbindelse med Omron sitt PLS-system, Kurt Hjertholm har delt sin erfaring med ABB. Lars Barstad hjalp oss å finne komponenter i forbindelse med styring og vår veileder Boris Balakin har hjulpet oss med selve skrivingen av oppgaven. I tillegg til dette vil vi rette en spesielt stor takk Herbert Heldal ved Bergen Maritime Videregående, for utlån av PLS og tilhørende komponenter. Dette forenklet gjennomførelsen av oppgaven i stor grad. Oppgaven er skrevet med tanke på at leser har en viss teknisk forståelse, for å kunne skjønne hvordan alt fungerer. En dypere kjennskap til elektro, instrumentering, automasjon, programmering, hydraulikk og montering vil kreves dersom man skal bygge systemet selv. ERIK HJERTHOLM ROBIN SØRENSEN 3

4 INNHOLDSFORTEGNELSE FORORD 3 SAMMENDRAG 7 1. INNLEDNING BAKGRUNN PROBLEMSTILLING KRAVSPESIFIKASJON OG DESIGN MARKED FOR TRYKKTESTING ØKONOMISK PÅVIRKNING METODE TRYKKTESTING FLUSHING REYNOLDS TALL TURBULENT FLOW SYSTEM 14 GENERELT HYDRAULISK SYSTEM SENSORER VENTILER PLS HMI RS PROGRAMVARE CX-PROGRAMMER NB-DESIGNER FYSISK SIMULERING RESULTATER 40 4

5 3.1 SIMULERING I CX-PROGRAMMER SIMULERING I NB-DESIGNER SIMULERINGSRIGG BYGGING AV PROTOTYPE FERDIG LADDERPROGRAMMERING STARTSEKVENS TRYKKTESTINGSSEKVENS FLUSHESEKVENS LOGGING MATEMATISKE FUNKSJONER DESIGN AV HMI-BILDER RESULTATER AV TESTER DISKUSJON TILDELING AV OPPGAVE PLS SIEMENS ABB MITSUBISHI MOELLER OMRON FYSISK SIMULERING PROGRAMMERING HMI SAMMENKOBLING AV HMI OG PLS HYDRAULIKK SAMMENKOBLING AV PLS OG SENSORER/AKTUATORER TESTING 75 5

6 4.10 VIDERE ARBEID KONKLUSJON REFERANSELISTE FEIL! BOKMERKE ER IKKE DEFINERT. 7. FIGURLISTE 79 6

7 SAMMENDRAG Denne oppgaven har gått ut på å lage et automatisk system for flushing og trykktesting av hydraulikkrør. Oppgaven er gitt av NTOS AS avdeling Askøy, og et slikt system vil være med å effektivisere deres produksjon. Både NTOS AS og vi, har gjort undersøkelser på om det finnes et tilsvarende produkt på markedet i dag. Vi stod fritt til å løse oppgaven slik vi ville, og valgte å gjøre dette ved å kombinere utvalgte aktuerte hydrauliske komponenter med en programmerbar logisk styring (PLS). Det ble brukt mye tid på å finne ut hvilket system som ville tilfredsstille kravene i dette prosjektet, og vi kom frem til et som har fungert meget bra. Det ble laget utkast til løsning, som ble godkjent før vi fortsatte. Under hele prosjektet har vi hatt en god dialog med oppdragsgiver for å sikre at vi hadde skjønt problemstillingen, at vi fokuserte på det som var viktig og at vi brukte reelle verdier. For å være sikker på at vi ville klare å gjennomføre prosjektet, gjorde vi simuleringer der dette var mulig. På denne måten kunne vi gjøre prosjektet stegvis, og vi kunne utsette innkjøp av kostbare komponenter til vi var sikker på gjennomføringen. Når det hydrauliske systemet var koblet sammen med styringen og vi begynte å kjøre tester, fikk vi uventede resultater og vi måtte begynne å feilsøke. Dette var meget tidkrevende, men ved å forhøre oss med forskjellige personer som har god kompetanse innen trykktesting, fant vi til slutt ut hva som forårsaket de uventede målingene og vi fikk eliminert dette. Resultatet av oppgaven er en konklusjon på at det ønskede systemet er mulig å produsere, og en fungerende prototype som med små modifikasjoner kan tas i bruk på den måten som var tiltenkt, er laget. 7

8 1. INNLEDNING Dette kapitelet omhandler erfaringen vi hadde fra tidligere som var grunnlag for å kunne gjøre denne oppgaven. I tillegg beskrives problemstillingen, og bakgrunnen for denne. 1.1 BAKGRUNN Erik Hjertholm har gått teknologilinjen som videregående skole. Dette er en kombinasjon av studiespesialisering med fordypning i realfag, teknikk og industriell produksjon, elektronikk, elektro og automasjon. Mellom videregående skole og høyskole har han jobbet som rørlegger, elektriker, tømrer, entreprenør og nanotekniker med mer. Han har hatt sommerjobb i OneSubsea avdeling Horsøy og Sandsli, og praksisperiode hos NTOS AS avdeling Ågotnes og OneSubsea avdeling Sandsli. Robin Sørensen har en bakgrunn fra teknikk og industriell produksjon VG1 og automatisering ved Bergen Maritime videregående skole VG2 + VG3. Automatisering er en to-årig linje der lære om PLS, regulering og prosesskontroll er en viktig del av utdanningen. Utenom skolen har han hatt sommerjobber hos NTOS AS og FMC Technologies siden VG1, der hoveddelen av arbeidet har omhandlet vedlikehold og drift av hydrauliske systemer. 1.2 PROBLEMSTILLING NTOS AS har utleie, produksjon og vedlikehold av hydrauliske systemer som hovedgeskjeft. De er to avdelinger, NTOS Askøy som hovedsaklig driver med produksjon av HPU-er og ventilpaneler, og NTOS Ågotnes som driver med testing, utleie og vedlikehold, i tillegg til produksjon av HPU-er. I de fleste tilfeller, er det kundespesifikke krav til trykktest og flushing av rør på nyproduserte systemer. Figur 1 NTOS sin logo For at de skal kunne selge eller leie ut nytt hydraulisk utstyr, må de trykkteste og flushe utstyret, og da alle de hydrauliske rørene som inngår i systemet. De aller fleste systemene NTOS AS produserer er kundetilpassede, dermed unike. Det finnes da ingen standard på hvordan hvert av rørene til disse systemene skal bøyes. Når et rør er bøyd etter mål, må dette monteres i enheten som bygges for at målene til det neste røret skal bli korrekt. Man kan alternativt bestille rør til hvert enkelt system, men det krever at NTOS AS leverer detaljerte 3D-modeller til fabrikant. Disse modellene er meget kostbare å modelere, og når hvert system krever sin unike modell, vil denne metoden ikke lønne seg. 8

9 På Askøy bygges systemene ferdig, deretter sendes de til Ågotnes hvor alle rørene må demonteres, merkes og testes. Deretter monteres enhetene sammen igjen etter godkjent testing. Denne prosessen er mye mer tidkrevende enn den trenger å være, og vår oppgave har vært å se om det er mulig å lage et system som på en rask og effektiv måte kan trykkteste og flushe disse hydraulikkrørene fortløpende etter bøying. På denne måten vil enheten være klar for kunde, straks de er ferdigprodusert på Askøy. Både NTOS AS og vi, har gjort undersøkelser på om det finnes et tilsvarende produkt på markedet i dag, men har ikke funnet noe som kan automatisere prosessen på samme måte. Førsteprioritet i oppgaven ble dermed å vise at en slik løsning er gjennomførbar, og at systemet lar seg bygge. Dersom tiden tillater det, er det også ønskelig at vi lager en prototype. Både den hydrauliske biten og styring til dette. 1.3 KRAVSPESIFIKASJON OG DESIGN I møte med NTOS kom det fram at de hadde ingen krav til hvordan selve designet på testriggen skulle være. De var mer opptatt av å se om prosjektet i det hele tatt lot seg gjøre, så alt av design var opp til oss selv å bestemme. Vi ble derimot enig om hvilke krav som stiltes til selve funksjonaliteten av systemet. Enkelte av kravene var nødvendig for at systemet i det hele tatt skulle fungere til formålet det var ment for, mens andre krav ville være praktiske, men hadde en lavere prioritet. Vi delte kravene inn i tre kategorier for å se hva som først skulle prioriteres: Skal ha, Bør ha og Kan ha. Kravspesifikasjoner Skal ha Bør ha Kan ha Flushe og trykkteste Se pen ut Avstenging/testrom på unit Automatikk Brukervennlig Flushe akkumulatorer, sjalteventil Datafangst Servicevennlig Kjøler for oljen Må måle flow HMI Touch Frekvensstyrt pumpe Isolere/stabilisere trykk Måle temperatur Partikkelteller Tabell 1 Kravspesifikasjoner for systemet 9

10 1.4 MARKED FOR TRYKKTESTING OG FLUSHING Stort sett alt av nye hydrauliske systemer og komponenter trykktestes. Dette gjelder ikke bare offshore-industrien, men også for alle andre industrier i Norge som opererer med hydraulikk. Her inngår f. eks mobilkraner, lastebiler, gravemaskiner, skipsutstyr etc. NTOS har tidligere undersøkt om det eksisterer lignende automatiserte løsninger på markedet i dag, men har per dags dato ikke funnet noen som kan levere et slikt system. I forbindelse med vår bacheloroppgave kontaktet de også Advantec, som er en bedrift NTOS har et tett samarbeid med, og presenterte vår oppgave. De var meget interessert i et slikt system, dersom det lot seg gjøre ØKONOMISK PÅVIRKNING Som beskrevet i problemstillingen tar den nødvendige testingen og sertifiseringen av hydraulikkrørene til et nytt system mye tid. Et konkret eksempel som ble nevnt var en HPU (Hydraulic Power Unit) som skulle leveres til OneSubsea. Etter at enheten var ferdig bygget på avd. Askøy, ble den sendt til avd. Ågotnes for trykktesting, flushing og sertifisering. Her ble hvert rør merket, demontert, testet og påmontert igjen. Denne prosessen tok to personer en uke å utføre. NTOS regner en internkostnad på 350kr i timen, så denne spesifikke jobben kostet bedriften ca kr å utføre. Generelt regner de med at et system som kan trykkteste og flushe rørene fortløpende under produksjonsprosessen, vil nærmest eliminere tiden brukt på testing og sertifisering. Dette fører til at den totale produksjonstiden av enhetene vil reduseres med rundt 10%, som i det lange løp vil representere betydelig kostnadsbesparelse. De ser også på muligheten til å kunne kommersialisere et slikt system for salg, ettersom det ikke eksisterer lignende løsninger i dagens marked. I dette kapitelet har vi gått gjennom hvilken bakgrunn vi som gjør oppgaven har, hva som er grunnen til at vi har fått oppgaven og hvilken effekt denne vil ha for oppdragsgiver. 10

11 2. METODE I denne delen av oppgaven går vi gjennom det teoretiske man må ha kjennskap til for å forstå hvordan oppgaven er gjort. Det er en kombinasjon av informasjon om komponenter og forklaring av metoder vi har brukt. Denne delen kan man hoppe over dersom man har kjennskap til temaene nevnt i forordet. 2.1 TRYKKTESTING Hydraulisk utstyr blir ofte utsatt for store trykk. Det er derfor viktig å vite at komponentene vil tåle dette høye trykket, da det ofte er snakk om store mengder energi som kan føre til material- eller personskader ved en feil. Det hender av og til at det er meget små sprekker eller hull i materialet som brukes. Mer vanlig er det med feilmontering av sammenkoblingskomponenten (fitting) på røret. I tillegg vil rør som bøyes få en mindre veggtykkelse langs ytre radius. På grunn av disse faktorene er det viktig at rørene blir testet før de blir tas i bruk, for å avdekke eventuelle feil. Måten testene ofte foregår på, er at det bygges opp et trykk som typisk er 1,5 ganger arbeidstrykket utstyret er designet for. Dette er dersom utstyret er nytt. Deretter er det en viss holdetid hvor man overvåker trykkfallet. For at testen skal bli godkjent, er det vanlig at trykkfallet må være under en gitt prosent i løpet av en gitt tid. Andre typer krav finnes også. Grunnen til at dette tillates og det ikke er slik at trykket må være konstant hele tiden, er at et trykksatt system vil bruke en viss tid på å stabilisere seg. Det er flere variabler som spiller inn, blant annet temperatur og mekanisk utvidelse av systemet. Når olje pumpes gjennom et hydraulisk system, er det vanlig at denne blir varm på grunn av friksjon i komponenter som trykkreduksjonsventiler osv. Når man stenger inne trykket og det ikke lenger er noe strømning, vil temperaturen synke naturlig til den når omgivelsestemperatur. Avhengig av stivheten på det man tester, vil man også ha varierende grad av utvidelse i systemet. Disse faktorene regnes med når holdetiden fastsettes fordi de vil inntre selv om det ikke er lekkasje i systemet. Dersom kravet ikke blir godkjent, er sjansen stor for at noe må strammes, eller at det faktisk er en feil på komponenten. Da væsker i svært liten grad lar seg komprimere, fyller man ofte det som skal testes med væske, såkalt hydrostatisk testing. Dette har blant annet med sikkerhet å gjøre, da det utløses meget lite energi dersom testobjektet sprekker, sammenlignet med for eksempel luft eller gass. Har man et helt stivt rør, som testes med vann, vil trykket falle drastisk om man plutselig fjerner bare en liten del av vannet. Til sammenligning komprimerer luft seg én gang per bar man øker trykket. Det vil si at hvis et luftfylt rør med 200 bars trykk sprekker, vil 200 ganger rørets volum bli frigitt. Et rør trykksatt med luft, er i praksis akkurat det samme som en akkumulator, som lagrer energi. 11

12 2.2 FLUSHING Flushing er en prosess hvor man renser rør, slanger eller annet lignende utstyr ved å sirkulere væske gjennom dem. Man kobler sammen pumpe og testobjekt i en sløyfe hvor det også er et eller flere filter, som vil fange opp urenheter. Denne prosessen kjører man helt til ønsket renhet er oppnådd. Figur 2 Prinsipp for flushing Renheten i væsken betegnes med standarder hvor noen av de mest brukte er [NAS1638] 1 og [ISO ] 2. Disse standarder angir hvor mange partikler av en viss størrelse man vil finne i en gitt mengde vann, med et dimensjonløst tall (klasse). Vi har brukt [NAS1638], da dette er den vanligste i offshoreindustrien. Når det gjelder denne standarden er det forskjellige krav for tillatt antall partikler i forskjellige størrelsesorden i en og samme NASklasse, men alle kravene må tilfredsstilles for at man skal kunne si at en væske har en renhet tilsvarende den aktuelle klassen. Under er et skjema som viser minstekravene for de forskjellige NAS-klassene. Figur 3 Oversikt over NAS-klasser 12

13 2.2.1 REYNOLDS TALL Reynolds tall (Re) er dimensjonsløst, og beskriver blant annet om et fluid strømmer laminært eller turbulent. Områder på skalaen for Reynolds tall brukes for å beskrive de forskjellige typer strømminger. Laminær Re < 2300 Transient 2300 < Re < 4000 Turbulent Re > Figur 4 Formel for Reynolds tall Re Reynolds tall ρ Densistet V Snitthastighet D Diameter µ Dynamisk viskositet Figur 5 Illustrasjon mellom forskjellen på laminer og turbulent strømning. Pilene illustrerer bevegelsen til fluidpartiklene TURBULENT FLOW Ved flushing ønsker man turbulent strømning da en slik strømning vil rive med seg mye mer av det som måtte være av urenheter festet på innsiden i røret eller slangen, enn dersom strømningen var laminær. Dersom en kunde ønsker sertifikat på utførelsen av flushingen, vil det at strømningen har vært turbulent, være en av tingene de ønsker å se i tillegg til at ønsket renhet er oppnådd. Om man oppnår turbulent strømning eller ikke avhenger av flere faktorer, blant annet strømningshastighet, viskositet og diameter på røret som skal testes. Derfor er det vanlig at man må regne seg frem til en minimums hastighet. Denne vil være spesifikk for hvert system. Ved å kjøre pumpen med maksimal strømming, vil vi sikre at man er i det turbulente området, gitt at pumpen er spesifisert korrekt. Dette vil i tillegg gjøre styringen enklere. 13

14 2.3 SYSTEM GENERELT Vårt system er designet slik at man kan koble til det man ønsker å teste med hurtigkoblinger, deretter velger man på et touchpanel om man vil trykkteste og flushe, bare trykkteste eller bare flushe. Man velger hvilken standard testen, og eller flushingen skal utføres etter, og trykker så på start. Etter dette blir røret testet og eller flushet etter krav, for så å bli tømt ved bruk av ren luft. Under hele prosessen vil man kunne se på touchpanelet hvilket steg i prosessen man er på, og en lampe vil lyse grønt når det er klart for neste test HYDRAULISK SYSTEM Under er forenklet prinsipp for hva som skjer med de forskjellige komponentene i trinnene ved en trykktest og flushing. Dette er etter alle nødvendige valg er gjort på HMI-et. 1: Ventil 8 er åpen, og 3-veisventil 5 er åpen mot tank. 2: Pumpen startes og kjører en gitt tid for å sørge for at det er olje i hele systemet. 3: Stengeventil 8 lukkes. 4: Pådraget på pumpen settes til testtrykk og stoppes når ønsket trykk er oppnådd. 5: Systemet får hvile en gitt tid for stabilisering. 6: Etter en gitt tid, eller etter et gitt trykkfall, startes pumpen og kjører til trykket igjen er lik set-trykk. 7: Logging starter og går helt til testen enten blir godkjent eller prosessen blir stoppet av en timeout. Da er det mest sannsynlig en lekkasje. 8: Dersom trykktest blir godkjent, åpner stengeventil 8, og pumpen starter igjen. Flushingen er nå begynt og denne gangen går pumpen til oljens renhet er under setnivået, eller til systemet stoppes av en timeout. Da er det sannsynlig at filteret må byttes. 9: Dersom flushingen blir godkjent stopper pumpen og 3-veisventil 5 åpnes mot spilltank. 10: Luftventilen 4 åpner i en gitt tid slik at det meste av oljen i slanger og testobjekt fjernes. 11: Et grønt lys skrus på for å signalisere at prosessen er ferdig, og man får opp en melding på HMI-et. 14

15 15

16 FITTINGS Komponenter til hydrauliske systemer (pumper, ventiler, sylindere etc.) trenger en måte å kobles sammen på. I de fleste tilfeller brukes rør eller slanger til å føre oljen til de ulike komponentene. Hver komponent har inngang- og utgangsporter som er dimensjonert i forhold til hvor stor den anbefalte oljestrømmen er. Det finnes en rekke ulike standardiserte metoder på hvordan hydraulikkrør, slanger og komponenter skal kobles sammen. Disse standardene har gjerne ulike formål. Noen er laget for å være så tett så mulig mens andre er servicevennlig, skal tåle høye trykk etc. Eksempler på mye brukte fitting-typer er: BSP, NPT, A-LOK, JIC, EO-2 med flere. Fitting er en samlebetegnelse på komponenter som blant annet - Kobler sammen to porter med ulik eller lik størrelse. - Forgrener hydraulikkretsen ved bruk av T-stykker. - Kobler sammen to forskjellige typer, for eksempel BSP og A-LOK. - Forandrer orienteringen på komponenter, for eksempel ved å bruke en 90 O vinkel. Figur 7 Diverse fittings Vi har i hovedsak brukt Parker EO-2 og BSP på vårt system. Grunnen til dette er at NTOS lagerfører Parker fittings, og det var da et naturlig valg å bruke disse. Figur 9 BSP fittings Figur 8 Parker EO-2 fittings Figur 6 Hydraulisk koblingsskjema for systemet 16

17 2.3.2 SENSORER Her har vi forklart prinsippene for de forskjellige sensorene vi har brukt i dette prosjektet. Vi har ikke gjort noe vurdering i forbindelse med valg av disse, men fikk dem utlevert av NTOS FLOWMETER Flow kan måles på mange forskjellige måter. Det finnes flere måleprinsipper i blant annet kategoriene mekanisk, trykkbasert, termisk, elektromagnetisk og ultrasonisk. Flowmeteret vi bruker, SCFT , er et turbinflowmeter. Dette kommer under kategorien mekanisk. Måleprinsippet går ut på at når oljen strømmer gjennom turbinmeteret, vil en propell (turbin rotor) begynne å rotere. Denne rotasjonen er proporsjonal med oljemengden som strømmer gjennom, og man vil måle volumstrøm. En magnetisk sensor registrerer rotasjonshastigheten til propellen, og i en signalomformer blir dette omgjort til et 4-20 ma signal. Figur 10 Prinsippet for et turbinmeter Sensoren vi bruker har følgende data: Flowmeter - Parker SCFT Måleelement Turbinmeter Supply Voltage 24 VDC Range 3-60 l/min Output 4-20 ma Max Arbeidstrykk 420 bar Tabell 2 Utdrag av spesifikasjoner for flowmeteret 17

18 TEMPERATUR Det finnes flere forskjellige prinsipper for å måle temperatur. Deriblant termoelement, termistor, bimetall og resistanstermometer. Sensoren vi har brukt i vårt system, Parker SCT har et resistanstermometer av typen PT1000. Dette er en liten bit med platina, som har en motstand på 1000 Ω ved 0 grader celsius. Motstanden endrer seg tilnærmet lineært med temperaturendringer, og det er denne motstanden sensoren måler. En signalomformer i sensoren omgjør denne endringen til et 4-20 ma signal, og en intern motstand på 250 Ω gjør at man kan få signalet som 1-5 V dersom man ønsker dette. Tilsvarende kan man få PT100 som har en motstand på 100 Ω ved 0 grader og PT500 som har 500 Ω ved 0 grader. Fordelen med å bruke et PT1000 element er at man får høyere sensitivitet, samt bedre respons og repeterbarhet. Figur 11 Temperatursensor, Parker SCTSD Sensoren vi bruker har følgende data: Temperatursensor - Parker SCT Måleelement PT1000 Supply Voltage 24 VDC Range o C Output 4-20 ma / 1-5 V Max Arbeidstrykk 630 bar Tabell 3 Utdrag av spesifikasjoner for temperatursensoren 18

19 TRYKKSENSOR Noen av de vanligste måleprinsippene for trykk er membran, bourbonrør, piezoelektrisk og piezoresistiv. Det er også ulike måter å presentere trykket på. De to mest brukte metodene er absolutt trykk som er trykket målt i forhold til vakuum, og relativt trykk (gauge) som måler trykket i forhold til atmosfæretrykket. SI-enheten til trykk er pascal (Pa). I industrien blir MPa, bar og psi brukt. 1 bar = 10 5 Pa = 14,50 psi. Figur 12 Forskjellen på absolutt trykk og relativt trykk vist grafisk Sensoren vi bruker til å måle trykket i systemet, er en Parker SCP , denne har et piezoresistivt måleelement, og måler relativt trykk i bar. Et piezoresistivt element kan bestå av en halvleder eller metall, som endrer motstand når det blir utsatt for en mekanisk deformasjon. Når dette elementet i sensoren blir utsatt for et hydraulisk trykk vil det få en liten deformering, som da fører til en endring i resistansen. På samme måte som i temperatursensoren måles denne endringen, og blir omgjort til et signal på 4-20 ma. Denne sensoren har også mulighet for å gi I/O signaler (kontakter som aktiveres, enten normal open eller normal closed), dersom trykket går over eller under en satt verdi. Dette er dog ikke en funksjon vi benytter oss av. Denne sensoren har følgende data: Trykksensor - Parker SCPSD Måleelement Supply Voltage Range Output Max Arbeidstrykk Piezoresistant 24 VDC bar 4-20 ma 400 bar Tabell 4 Utdrag av spesifikasjoner for trykksensoren Figur 13 Parker SCPSD trykksensor 19

20 PARTIKKELTELLER Partikkeltellere er instrumenter som detekterer og teller antall partikler i mediet man overvåker. I motsetning til de andre sensorene beskrevet over, er det færre måleprinsipper for partikkeldeteksjon. Det er hovedsaklig tre prinsipper som brukes, og disse er light blocking (obscuration), light scattering og direct imaging. 7 icountpd er sensoren vi har brukt til å overvåke renheten i oljen. Den benytter seg av en kombinasjon av light scattering og direct imaging. Enkelt forklart er det en laser som lyser gjennom oljen, og en fotocelle i motsatt ende som detekterer skyggen av partikkelen og hvordan lyset har spredt seg. Ved hjelp av en algoritme regner enheten ut gjennomsnittlig diameter på hver partikkel som passerer. Disse blir så klassifisert i henhold til tabellverdier for NAS-klasse (figur 3) eller ISO-klasse, og blir representert i form av et 4-20 ma signal. Denne sensoren har følgende data: Partikkelteller - Parker icountpd Supply Voltage Signal Supply Output Arbeidstrykk 24 VDC 12 VDC 4-20 ma bar Tabell 5 Utdrag av spesifikasjoner for partikkeltelleren Figur 14 Prinsippet light scattering 20

21 2.3.3 VENTILER En ventil er en innretning som regulerer, styrer eller kontrollerer strømningen til et fluid. De kommer i alle slags farger og fasonger, og konstruksjonen varierer veldig avhengig av bruksformål. Vi bruker i hovedsak tre ulike typer; tilbakeslagsventil, 3-veis ventil og seteventil TILBAKESLAGSVENTILER En tilbakeslagsventil, er en enkel konstruksjon som sørger for at oljen bare kan passere en vei. Tilbakeslagsventilene som er montert i vårt system er mye brukt, og er bygget opp av en fjærbelastet kule som hviler mot en myk tetning. Når trykket mot kulen overstiger fjærkraften, blir kulen løftet fra tetningsflaten, og ventilen åpner for gjennomstrømming. Dersom oljen prøver å passere andre veien, vil det føre til at kulen blir trykket hardere mot tetningsflaten, og man får da ingen gjennomstrømning. Figur 15 Prinsippet for en tilbakeslagsventil I vårt system bruker vi tilbakeslagsventiler for å sørge for at trykket ikke evakuerer ut på trykksiden av systemet under trykktesten, samt hindre at det slipper olje inn til luftventilen. Figur 16 En typisk tilbakeslagsventil 21

22 VEIS VENTIL En 3-veis ventil er en ventil som har et fast løp, og to variable løp. Avhengig av hvordan ventilen opereres, er løpet åpent fra det faste løpet til et av de to variable. Den vanligste formen for 3-veis ventiler er 3-veis kuleventil. Figur 17 Treveis kuleventil forklart grafisk SETEVENTILER Prinsippet for en seteventil er at man har et sete (3) som presses mot en tettningsflate. Ventilen på bildet er en med stigende spindel, men den vi bruker er aktuert med en elektromagnet (coil). Vi bruker en seteventil for å stenge inne trykket på retursiden av systemet. Figur 18 Prinsippet for en seteventil 22

23 2.3.4 PLS En PLS (programmerbar logisk styring) er en av de vanligste metodene industrien bruker for styring av systemer, prosesser etc. Der man før måtte bruke store mengder reléer, kan man nå klare seg med én PLS. En PLS får gjerne digitale og eller analoge inputs, og gir output ut ifra gitte regler som man programmerer, basert på inputene. Disse outputs fungerer ofte som styrestrøm for annet elektrisk utstyr som kontaktorer, motorer osv. Når en PLS skal programmeres, brukes forskjellige språk avhengig produsent og modell. En vanlig metode innen programmering er ladder-programmering. Dette er en av metodene som brukes av Omron, systemet vi har valgt. Figur 19 Slik ser en typisk PLS ut FORKLARING AV MINNET I EN PLS Når man jobber med programmering av PLS-er, er det veldig ofte slik at man må manipulere input-verdier. For at dette skal være mulig, må man ha et sted å mellomlagre disse verdiene. Dette skjer i minnet til PLS-en. Minnet i en Omron PLS er bygget opp av flere deler som har forskjellige egenskaper. Hver del har et gitt antall WORD som igjen er delt opp i 16 bit. En bit kan bare ha 2 verdier, 1 eller 0. Mens et WORD som består av 16 bits, kan da ha 2 16 = forskjellige verdier. Hver enkelt bit og WORD har sin unike adresse og er henholdsvis på formen AX.XX for bits og AX for WORD. Her er A navnet på minneområdet og X et tall. For eksempel inneholder WORD-et A1 alle bit-ene fra A1.00 til A1.15. Adressen A1.16 finnes da altså ikke. Refererer man til A1 i en funksjon, får man da den heksadesimale verdien de 16 binære sifrene i A1 representerer. Man kan referere til verdien i et helt WORD, samtidig som man en annen plass refererer til et enkelt bit i det samme WORD-et. 23

24 Figur 20 Skjermbilde av minnet til PLS-en I CX-programmer I vårt prosjekt har vi for det meste brukt bits til å registrere verdier som enten er sanne eller usanne, såkalte boolske verdier som for eksempel om sekvens kjører eller ikke. WORD er brukt der vi har lagret analoge verdier, for eksempel input fra sensorer FORSKJELLIGE TYPER VERDIER Når man programmerer for å gjøre forskjellige operasjoner med et tall, må man definere hva slags tall det er man jobber med. Til dette er det forskjellige kategorier som begrenser hva man kan bruke av input. Disse kategoriene er standard innen de fleste programmeringsspråk, men hvor store tall de kan inneholde, kan variere INTEGER En 16-bit integer, som denne PLS-en støtter, kan være negativ eller positiv, og verdiene fra til En integer kan ikke ha desimaler UNSIGNED INTEGER En 16-bit unsignet integer kan bare være positiv, og går fra verdien 0 til En unsigned integer kan ikke ha desimaler FLOAT Float er et tall med desimaler, som kan gå fra -3, x til 3, x

25 OMRON CJ2M Valget av PLS havnet på Omron sin CJ2M 12. Denne er en del av Omron sin modulære PLSserie. Her står man fritt til å velge hvilke tilleggsmoduler man vil ha, alt ettersom hva man trenger. Man kan blant annet velge mellom forskjelle strømforsyninger 24VDC og 230 VAC, kommunikasjonsmoduler Profibus, DeviceNet, Ethernet/IP etc. digitale Input- og outputmoduler med forskjellig antall innganger/utganger, analoge input- og outputmoduler. Tabell med oversikt over hvilke komponenter PLS-systemet vår bruker: Enhet Modul Funksjoner PLS CJ2M-CPU11 USB, RS-232, Compact Flash Minnekort Strømforsyning CJ1W-PA VAC, 2.8A Digital Input CJ1W-ID x Inputs, 24 V Digital Output CJ1W-OD x Outputs, 24 V Analog Input/Output CJ1W-MAD42 4 x Inputs, 2 x Outputs, 1-5 V/0-5 V/0-10 V/ V/4-20 ma Tabell 6 Oversikt over PLS og tilhørende moduler 13 Figur 21 Omron modulær-pls CJ2M-CPU11 25

26 2.3.5 HMI HMI står for Human Machine Interface, og er enkelt forklart koblingen mellom menneske og maskin. Det er i praksis det man bruker for å styre en maskin eller gi den en kommando. I en bil vil dette for eksempel være ratt, pedaler og girstang. Når det er snakk om automasjon, er et HMI gjerne noe som skal skru av og på motorer, starte og stoppe sekvenser osv. Det kan gjerne være et panel med knapper, men i vårt tilfelle er det en skjerm med berøringsfunksjon. Dette gir en veldig stor grad av fleksibilitet da man har mange funksjoner som ikke er mulig å få til med knapper og man kan gi bruker av systemet tilbakemelding på en veldig effektiv måte. Modellen av HMI vi har brukt heter NBQ5-TW01B 14 og er en del av kompaktserien til Omron. Figur 22 NBQ5-TW01B RS-232 RS-232 er en standard for overføring av data som første gang ble laget i Siden har den hatt mange revisjoner og brukes fremdeles i store deler av industrien både på grunn av at den er godt innarbeidet, men også fordi den er stabil. RS-232 benytter DB9-kontakten. Figur 23 DB9 kontakt Denne kabelen var originalt ment til å være mellom telefonmodem og teleprintere, men brukes i dag i en mengde forskjellige applikasjoner. Anbefalt maks lengde er 15 meter, og konfigurasjon av hvordan pinnene er koblet sammen varierer. For at kommunikasjonen skal fungere mellom den aktuelle PLS og HMI vi har valgt, må den være slik som på illustrasjonen under. PLS-siden er til høyre. 26

27 Figur 24 Konfigurasjon for kommunikasjon mellom PLS og HMI PROGRAMVARE For å kunne programmere PLS-en trenger man tilhørende programvare. Her har ofte hver leverandør utviklet sin egen software, som man må kjøpe utenom selve PLS-en. Det finnes dog enkelte PLS-er der man kan gjøre en veldig enkel programmering på selve PLS-en, eksempelvis Möeller sin Easy-serie CX-PROGRAMMER Vårt valg av PLS havnet som sagt på Omron. De har utviklet et program som heter CXprogrammer. Inntrykket vi har fått av dette programmet er at det er et kraftig verktøy, som man kan lage ganske avanserte programmer med, samtidig som det er veldig brukervennlig og har mange smarte løsninger. Man er ikke begrenset til et fast programmeringsspråk, men kan velge mellom blant annet Ladder Diagram (LD), Structured Text (ST) og Sequential Function Chart (SFT). Ladder Diagram blir gjerne sett på som det enkleste av disse tre språkene. Figur 25 Skjermbilde CX-programmer Det er også godt egnet til å lage sekvensprogrammer, så vi fant det hensiktsmessig å skrive vårt program i dette språket. 27

28 LADDER DIAGRAM Figur 26 Ladder diagram Ladder diagram er en vanlig måte å programmere en PLS på. Enkelt forklart fungerer det slik at det er et signal som vil fra venstre til høyre i hvert trinn i det som ligner på en stige, derav navnet. Dette skjer bare dersom det er kontakt hele veien fra venstre til høyre i det aktuelle trinnet. Det er i hovedsak to forskjellige typer komponenter man kan bruke i programmeringen. Enten åpner eller stenger en komponent for signalet, eller så aktiveres en funksjon når signalet når frem til denne. Man kan si de enten er i kategorien bryter eller lampe. Rekkefølgen på trinnene har ingenting å si, da signalet hele tiden er på, på venstre side av stigen. Det som kanskje ikke er så lett å forstå med dette, er at komponentene i kategorien lampe kan gjøre flere ting. De kan enten aktivere en fysisk utgang, slik at en lampe lyser, eller en motor starter, eller så kan den aktivere et bit i minnet på PLS-en. Denne bit-en kan igjen være koblet til en bryter som da vil lukke. Ved å bruke kombinasjoner av komponenter i disse to kategoriene, kan man bygge opp kraftige funksjoner som tar et input signal, prosesserer dette og gir et ønske output basert på input signalet. Funksjonene hver for seg er ikke spesielt kompliserte å forstå, men å forstå helheten i et ferdig program kan være utfordrende for personer som ikke har kjennskap til ladder programmering. BESKRIVELSE AV KOMPONENTER Her vil vi gå litt nærmere inn på virkemåten til hver av funksjonene vi har brukt. Dette er for å bedre kunne forstå koden i programmet vi har laget for styring av systemet. NORMALY OPEN: Kan ses på som en bryter. Denne vil slippe gjennom signalet når den blir aktivert. Tilsvarende når korresponderende bit i minnet er 1. NORMALY CLOSED: Kan også ses på som en bryter, men denne er invertert. Det vil si at den slipper gjennom signalet når den ikke er aktivert. 28

29 COIL: Kan ses på som et lys. Når alle kriteriene for at bryterne skal slippe gjennom signalet, kommer signalet fram til coilen, og den aktiveres. Dette kan for eksempel være et lys som blir aktivert, eller en motor som blir startet. Coilen står alltid som siste ledd i en signalkrets. EKSEMPEL: Figur 27 Eksempel på normaly open, normaly closed og coil Dette er en enkel funksjon for å starte en motor. Hvis man tenker seg at Bryter_1 og Bryter_2 er lysbrytere, vil Motor starte når Bryter_1 blir slått på, og Bryter_2 er slått av. Slår man eksempelvis på Bryter_2 brytes signalet, ettersom denne er invertert. Motoren vil da stoppe, selv om begge bryterne står fysisk på. GENERELL FORKLARING AV EN FUNKSJONSBLOKK I stedet for coiler som bare har funksjonen av eller på (1/0), kan man bruke funksjonsblokker. Disse har en mer avansert funksjon, og kan blant annet brukes til å behandle analoge signaler, tallmanipulasjon, nedtellinger etc. De spesifikke funksjonsblokkene vi har brukt i programmet er beskrevet under. SET: Når Bryter _1 blir aktivert, aktiverer denne funksjonen et spesifisert bit i minnet. Eventuelt aktiverer den en utgang. I dette eksempelet aktiverer funksjonen en utgang som koblet til motor. Dersom denne allerede er aktivert skjer det ingenting. Figur 28 Eksempel for SET funksjonen 29

30 RSET: Rset eller Reset gjør det motsatte av Set. Når Bryter_2 blir aktivert, deaktiverer denne et spesifisert bit i minnet. I dette eksempelet vil den da slå av Motor dersom denne er aktivert. Figur 29 Eksempel for RSET funksjonen MOV: Når Bryter_1 blir aktivert, vil denne funksjonen flytte den gitte verdien til et bestemt minne. I dette eksempelet vil den flytte det heksadesimale tallet FFFF til minnet D0. Man kan også sette denne funksjonen til å flytte verdien fra analoge innganger. Figur 30 Eksempel på MOV funksjonen TIM: Tim eller timer er en funksjonsblokk som starter en nedtelling når den blir aktivert. Den teller ned 0.1s i forhold til set verdien. Når nedtellingen er ferdig, vil den aktivere en bit med samme adresse som timeren har. I dette eksempelet vil timeren bli aktivert når Bryter_1 blir aktivert. Etter 5 sekunder vil timeren bli aktivert. Figur 31 Eksempel på TIM funksjonen 30

31 CNT: CNT eller counter er en funksjon som teller hvor mange ganger et bit i minnet har blitt aktivert. Når antallet aktiveringer er lik det man har har som settverdi, aktiveres funksjonen. Den har også en input som resetter counteren. I dette eksempelet vil counteren aktiveres når Bryter _1 har blitt aktivert tre ganger, og reset når Bryter_2 blir aktivert. Figur 32 Eksempel på CNT funksjonen BSET: Bset eller block set kopierer et WORD man har satt til området i minnet man definerer. I dette eksempelet vil funksjonen sette minnet fra D1 til D10 til den heksadesimale verdien FF. I vårt program brukes denne funksjonen til å sette hele minneområdet som er reservert for logging til 0. Dette må gjøres for at ikke verdier fra forrige logging skal ligge igjen i minnet. Figur 33 Eksempel på BSET funksjonen FLT: FLT eller 16 bit to floating point konverterer en 16 bit binær verdi til floating point data. Som nevnt tidligere er dette verdier som kan inneholde desimalverdier. I dette eksempelet vil funksjonen konvertere den heksadesimale verdien F til 15,000000, og plassere denne verdien i minnet D0. I vårt program bruker vi dette for å kunne regne ut trykkfallet, ettersom dette er nøyaktige verdier som inneholder desimaler. Figur 34 Eksempel på FLT funksjonen 31

32 >: > eller greater than ser om verdien i en adresse i minnet er større enn det man har satt. Når dette er tilfellet vil den aktiveres. I dette eksempelet vil Motor bli slått av når Trykket er større enn 400. Figur 35 Eksempel på > funksjonen <: < eller less than har motsatt funksjon av greater than. Denne ville da blitt aktivert når trykket er mindre enn 400 >F >F eller floating point greater then har samme funksjon som greater than, bare at denne funksjonen ser på forskjellen til verdiene i floating point. Altså kan den sammenligne tall med med desimalverdier. /F /F eller floating point divide dividerer to verdier av typen floating point. I dette eksempelet vil funksjonen dele 15 på 2 og flytte resultatet 7,5 til minnet D1 når Bryter_1 blir aktivert. Figur 36 Eksempel på /F funksjonen + + eller signed binary add legger til en spesifisert verdi til et bestemt minne. - - eller "signed binary subtract trekker fra en spesifisert verdi fra et bestemt minne. 32

33 * * eller signed binary multiply multipliserer en et bestemt minne med en eller Word shift register flytter WORD fra et bestemt minne nedover i et register (minneområde) man har definert, hver gang funksjonen blir aktivert. Når registeret er fylt opp vil den nederste (eldste) verdien bli overskrevet. Dette kan enkelt sammenlignes med at man har et rør fylt med klinkekuler. Når man putter inn en ny klinkekule vil hele rekken flytte seg et hakk, og den første klinkekulen man puttet inn vil falle ut i andre enden. Denne funksjonen bruker vi i vårt program for logging, og kunne kontinuerlig overvåke trykkfallet de siste X minutter. FWRIT FWRIT eller data file write er en funksjon som brukes for å lagre data i bestemte filformat til compact flash minnekortet i PLS-en. Her er det en rekke parametere man må bestemme: filtype, antall linjeskift, overskriving/skrive videre på samme fil, hvor filen skal lagres, hvor mange linjer i minnet som skal lagres, filnavn og hvor i minnet den skal lagre data fra. For nærmere beskrivelse av disse parametrene, se I dette eksempelet har vi satt verdien i minnet D100 til F og verdien i D50 til 5C50. Funksjonen vil da lagre en.csv fil til minnekortet med filnavnet P, med verdiene i minnet fra D0 til D14 (F 16 = ). Figur 37 Eksempel på FWRIT funksjonen 33

34 EKSEMPEL: Her er et lite eksempel på hvordan man kan kombinere ulike funksjonsblokker for å få en logisk funksjon. Figur 38 Eksempel på programmering med funksjonsblokker Dette er et enkelt program for styring av en motor. Når man aktiverer Bryter_1 vil timeren starte å telle ned. Etter fem sekunder, vil T0001 (det bit-et timeren er tildelt til å aktivere) bli aktivert. Motoren vil da starte og gå, helt til man aktiverer Bryter_2 som slår av motoren NB-DESIGNER HMI-et vi har brukt, krever programmet NBdesigner for å konfigureres. I dette programmet designes alle menyer og vinduer, og det bygges opp en logisk sammenheng mellom disse. Resulatet kan minne om oppsettet i en vanlig DVD-meny. Man kan også importere grafikk fra andre kilder. I tillegg bestemmer man hvordan styringen av PLS-en skal foregå. HMI-et kan redigere både bits og words direkte i minnet på PLS-en. På denne måten får man registrert hvilke valg som er gjort av operatør, og PLS-en velger hvilken del av koden som skal kjøres, og ikke minst hvordan. Samtidig leser HMI-et nøkkeltall og presenterer disse på skjermen. Figur 39 Skjermbilde NB-designer Et flytskjema over hvordan sammenhengen mellom de forskjellige skjermene er bygget opp, er på neste side. Her er navigeringen bygget opp slik at man alltid kan gå tilbake oppover, men ikke sideveis. Dette sikrer blant annet at valgt meny alltid korresponderer med de valgene som er gjort. 34

35 Grafikk Figur 40 Flytskjema HMI bilder 35

36 GRAFIKK Når man designer det grafiske til knapper og komponenter, er det vanlig å lage to versjoner. Et hovedbilde og et bilde for når komponenten er aktivert. Dette for at de som bruker systemet skal få tilbakemelding på valgene man foretar seg. Dette kan også utnyttes til å vise forskjellige statuser avhengig av hvor langt man har kommet i et program. De aller fleste komponentene har en grafisk komponent, og størrelsen på denne avgjøre også triggerområdet på displayet. Figure 41 Grafiske versjoner KOMPONENTER BRUKT I VÅRT PROSJEKT Under følger beskrivelse av hver enkel komponent som er benyttet i programmeringen av HMI-et. SCREEN De forskjellige menyene har sin egen screen. Disse har sitt eget nummer som kan refereres til i andre komponenter for å bytte mellom skjermer. I NB-designer er det ferdiglagde skjermer som numerisk tastatur, men utenom dette har vi designet alle skjermer selv. BIT LAMP En bit lamp kan sammenlignes med en lampe og viser en av sine to grafiske versjoner (states) avhengig av om den valgte addressen har verdien 1 eller 0. Denne har også funksjoner som blinking til alarmer osv. Denne komponenten er passiv og forandrer ingenting i PLS-en. BIT SWITCH En bit switch er det nærmeste man kommer en knapp og setter en addresse i HMI-et eller PLS-en til å være 0 eller 1 alt ettersom hvilke innstillinger man velger. Den kan; alltid sette en addresse til å være 1 eller 0, bytte mellom de verdiene eller fungere som pulsbryter. 36

37 FUNCTION KEY Denne har flere funksjoner som å starte kalibrering, men brukes i dette prosjektet bare til å bytte mellom skjermer (screens). COMMAND BUTTON En command button kan gjøre forskjellige matematiske funksjoner med numerisk input og words i PLS-en. Det vi bruker den til er å sette ikke-boolske verdier til spesifiserte plasseringer i minnet. Hadde verdien vært boolsk, hadde man brukt en bitswitch. MULTI FUNCTION En multifunction har en liste med kommandoer som den utfører i listens rekkefølge. Den kan både sette eller resete enkle bit samt sette ikkeboolske verdier til valgte words. Denne er kort forklart en kombinasjon av en eller flere bit switch og eller command buttons. NUMBER DISPLAY Dette er en passiv komponent som viser den numeriske verdien i et spesifisert word. NUMBER INPUT Denne komponenten er aktiv, og setter verdier direkte til en spesifisert plassering i minnet samtidig som den viser verdien som er satt. Den aktiverer det numeriske tastaturet automatisk når man trykker på den, og sender valgt verdi til minnet når man trykker enter. Man har mulighet til å begrense maks og minimumsverdier, og gir en feilmelding dersom man velger et tall utenfor dette området. Denne kan sende verdier til ett word men vise verdien til et annet dersom dette er ønskelig. DIRECT SCREEN Dette er et område med definert størrelse som viser en spesifisert skjerm (screen) når, og bare når et valgt bit har verdien 1. Dette er ekvivalent med en popup-skjerm. 37

38 INDIRECT SCREEN Denne fungerer på samme måte som en direct screen, men den viser skjerm nummer x avhengig av hvilken verdi en spesifisert adresse har. Dette gjør at man har muligheten til å vise mange forskjellige vinduer, som forskjellige typer feilmeldinger, med bare én komponent FYSISK SIMULERING Vi har simulert systemet fysisk og forklaringen på hvordan dette er gjort beskrives i dette kapitlet. Komponentene vi skulle bruke oppfører seg på fire forskjellige måter med tanke på hvordan de fungere elektrisk. Under er en liste med alle komponentene i systemet og hvilken metode vi brukte for å simulere dem. Komponenter som skal være av eller på (24 VDC). Simulert ved hjelp av 24 volts LED-lys i forskjellige farger. Disse er koblet direkte til den digitale outputmodulen. Indikatorlys Sterkstrøm til motor Stengeventil 3-veis ventil Luftventil Inngangssignal av eller på (24 VDC). Simulert med pulsbrytere. Disse er koblet direkte til den digitale inputmodulen. Alle brytere Analoge utgangssignaler (0 10 VDC). Simulert med analogt voltmeter. Denne er koblet direkte til den analoge outputmodulen. Styring av motor Analoge inputsignaler (0-10 VDC). Simulert med potensiometre. Koblingene her er vist på koblingsskjema under. Signalet fra potensiometeret er koblet til den analoge inputmodulen. Temperatursensor Flowmeter Trykksensor Partikkelteller 38

39 Figur 42 Koblingsskjema simulering av sensorer Som koblingsskjemaet viser, er alle sensorer simulert ved hjelp av fire spenningsdelere koblet i parallell. En spenningsdeler fungerer slik at spenningen over komponentene fordeler seg avhengig av størrelsen på forholdet mellom motstandene i spenningsdeleren. Dersom den ene motstanden er dobbel så stor som den andre, er spenningen over denne dobbelt så stor. Den ene mostanden er fast, mens den andre er variabel. Dette er de forskjellige potensiometerne som skal representere sensorene. Størrelsen på disse er beregnet slik at spenningen målt over potensiometerne, som er signalet til PLS-en, går fra 0 til 10 Volt når forsyninsspenningen i kretsen er 24 Volt. Formelen for spenningen over potensiometeret er som følger, når man vet at den faste motstanden er 14 kω; Potensiometerne går fra 0 til 10 kω og spenningen over dem vil være 0 Volt når motstanden er 0, og 10 Volt når de er stilt på 10 kω. Grunnen til at man kan koble disse i parallell, er at spenningen i en parallellkobling vil være lik i alle grenene. Bare strømmen vil variere. I dette kapitelet har vi gått gjennom alle de teoretiske aspektene av oppgaven. Det er de fleste tilfeller begrenset til tema som er relevant for denne oppgaven, men i noen tilfeller er flere ting tatt med for å skape en større forståelse, dersom man ikke kjenner til fagområdene fra før. 39

40 3. RESULTATER Her tar vi for oss det vi har opparbeidet av resultater i løpet av prosjektet. 3.1 SIMULERING I CX-PROGRAMMER Ved å kjøre simuleringer internt i CX-programmer kunne vi bekrefte at vi hadde skjønt hvordan forskjellige instruksjoner fungerer. Dette gjorde vi ved å manuelt sette forskjellige trigger-bit i minnet til 1 eller 0. Disse skulle senere bli aktivert av sensorer eller HMI-et, men ved å gjøre det på denne måten kunne vi se hvordan de forskjellige instruksjonene ville oppføre seg, gitt at kommunikasjon mellom HMI og PLS samt alle sensorer, fungerte. I tillegg til dette lærte vi mye om hvordan minnet i PLS-en fungerer. 3.2 SIMULERING I NB-DESIGNER I NB-designer kan man kjøre en såkalt offline test. Da legger programmet sammen alle de grafiske elementene som er lagt inn, og man får bilde av et virtuelt HMI på skjermen hvor man kan trykke på det som er av knapper og triggerområder. Dette oppleves likt som om det var den virkelige skjermen. På samme måte som i CXprogrammer, fikk vi bekreftet at vi hadde forstått de forskjellige funksjonene, og at de var definert korrekt. Da vi i begynnelsen ikke hadde opprettet kommunikasjon mellom HMI og PLS, simulerte vi de funksjonene som skulle gjøre ting i minnet til PLS-en ved å bruke HMI-et sitt interne minne, og vise status på Figur 43 Virtuelt HMI dette med forskjellige bit lamp og number display. I tillegg til dette fikk vi bekreftet at navigeringen mellom forskjellige menyer fungerte og at riktig bilde kom opp til riktig tid. Her kjørte vi også brukeropplevelsestester ved å la blant annet medstudenter, som ikke nødvendigvis kjenner til trykktesting, starte en test med verdier som vi gav dem. Dette førte til en del endringer i design og funksjon, og på denne måten sørget vi for at valg og navigering er blitt så intuitiv som mulig. 40

41 3.3 SIMULERINGSRIGG Når vi hadde bygget ferdig den fysiske simuleringsriggen, og hadde det viktigste av programmeringen i PLS-en klar, koblet vi denne til sine respektive inn- og utganger på input- og outputmodulen. Nå kunne vi se at signalet faktisk kom helt ut til ventilen, eller at nivået fra de forskjellige sensorene faktisk ble registrert korrekt i PLS-en og kunne trigge neste steg i programmet. Nå kunne vi også se, og få en følelse av, hvordan forsinkelsen mellom de forskjellige trinnene var. Dette var mye lettere når vi kunne se lysene gå på og av, da man ikke nødvendigvis har noe forhold til hvor lenge et visst antall millisekunder varer. Figur 44 Ferdig bygget simuleringsrigg 41

42 3.4 BYGGING AV PROTOTYPE Under er et bilde av hvordan konfigurasjonen av komponenter i prototypen ble til slutt. Under dette er et skjema av den samme konfigurasjonen der komponentene er navnsatt. Figur 45 Prototype på trestøtte 42

43 Figur 46 Skjemtaisk fremstilling av prototypen. 1 Inntak hydraulikk 11 3-veisventil 2 Flowmeter 12 T-stykke 3 Temperatursensor 13 Partikkelteller 4 Én-veisventil 14 Flowregulator 5 T-stykke 15 Én-veisventil 6 Aktuert luftventil 16 T-stykke 7 Lufttrykkregulator 17 Aktuert seteventil 8 Inntak luft 18 Manuell kuleventil 9 Trykksensor 19 Retur hydraulikk 10 Manometer 20 Uttak spillolje Tabell 7 Oversikt over komponenter. 43

44 3.5 FERDIG LADDERPROGRAMMERING Etter vi var ferdig med byggingen av prototypen, og hadde fått alle sensorer og ventil koblet til PLS-en, begynte vi å teste hvordan riggen responderte på programmet vi hadde laget til simuleringsriggen. Vi oppdaget fort hva som måtte endres på, og fikk gjort en del optimalisering av blant annet timere. Den ferdige koden er delt inn i 5 seksjoner. 1. Startsekvens: Denne tar for seg alle betingelser for start og stopp. 2. Trykktestingssekvens: Dette er logikken på hvordan trykktestsekvensen skal foregå. 3. Flushesekvens: Dette er logikken på hvordan flushesekvensen skal foregå. 4. Betingelser for logging, blant annet filnavn. 5. Matematiske funksjoner: Manipulerer tallene man får fra HMI-et, slik at koden kan forstå disse verdiene. På neste side er et flytskjema som viser den elementære logikken i programmeringen. I koden er det kommentert underveis i de gule feltene. Selve programmefilen finner man vedlagt som Hovedprogram system.cxp. 44

45 45

46 46

47 3.5.1 STARTSEKVENS 47

48 48

49 3.5.2 TRYKKTESTINGSSEKVENS 49

50 50

51 51

52 52

53 53

54 54

55 3.5.3 FLUSHESEKVENS 55

56 56

57 57

58 3.5.4 LOGGING 58

59 3.5.5 MATEMATISKE FUNKSJONER 59

60 60

61 3.6 DESIGN AV HMI-BILDER Under er ferdig design av HMI-bilder. De taller meste er laget I programmet photoshop, men med elementer fra NB-designer sitt bibliotek av grafikk. Alle bildene er ikke helt slik som man vil se dem på HMI-et, da dette bare skjer under selve prosessen, og dermed ikke lar seg avbilde på samme mate. 61

62 62

63 63

64 64

65 65

66 66

67 3.7 RESULTATER AV TESTER Under er graf fra fire representative logginger av flere tester vi gjorde. Disse er forklart/diskutert i kapittelet Diskusjon. Figur 47 Resultat nummer 1 Figur 48 Resultat fra test nummer 2 67

68 Figur 49 Resultat nummer 3 Figur 50 Resultat nummer 4 68

69 4. DISKUSJON Vi har valgt å beskrive hele prosessen med løsingen av oppgaven da vi ikke har gjort noe lignende før, og ikke nødvendigvis har gjort ting på den måten som er standard. Derfor ønsker vi å få med hvordan vi har valgt å gjøre de forskjellige delene. 4.1 TILDELING AV OPPGAVE. Vi kontaktet NTOS AS med forespørsel på problemstilling til bacheloroppgave, og fikk to alternativer. De var henholdsvis å lage en multifunksjons test- og analysebenk for hydrauliske systemer og å lage en automatisk trykktestings og flusherigg for hydraulikkrør. Vi valgte først analysebenken, da den virket mest åpen og interessant. I midten av januar hadde vi et møte vår eksterne veileder, for å få en kravspesifikasjon til oppgaven. Her ble oppgavene forklart nærmere, og da oppgaven med å lage en rigg for flushing og trykktest faktisk løste et reelt problem, valgte vi denne. Den oppgaven vi opprinnelig hadde valgt, var mer i kategorien kjekt å ha. Figure 52 Rigg testrigg til til fagoppgave Figur 51 Hydraulisk testrigg, som ikke lenger er i bruk Ekstern veileder foreslo enten å bygge om en eksisterende hydraulisk rigg som de hadde stående på lager, eller integrere vårt system med en enhet som skulle bygges i forbindelse med en fagoppgave. Vi undersøkte disse to, men kom senere frem til at det var bedre å lage en stand-alone enhet, som kunne kobles til en standard HPU. Denne måtte da tilfredsstille krav til oljemengde, trykk og styring. Det ble laget et utkast til systemet i Autocad og vi presenterte dette. Vi diskuterte rundt hver komponent og kom frem til en løsning som tilfredsstilte kravene. Det ble laget en generell liste over hva vi ville trenge, og NTOS AS bestilte de spesifikke komponentene. 69

70 4.2 PLS Når vi hadde fått klarert hvilke komponenter som skulle brukes, og hvordan systemet måtte være, begynte vi å fokusere på PLS. Når vi bestemte oss for å gjøre denne oppgaven, kunne vi såpass mye om automatisering fra før, at vi visste vi ville trenge assistanse. Vi undersøkte om det var mulig å få til et samarbeid med instituttet for elektro, men på grunn av at Høgskolen skulle flytte til nytt campus, lot ikke dette seg gjøre. Dette førte til at planleggingen av oppgaven tok mye mer tid enn vi hadde trodd. Vi visste det fantes mange leverandører av PLS-er, men vi hadde veldig begrenset erfaring med dem fra før og var veldig usikre på om de forskjellige systemene ville egne seg for vårt prosjekt. Vi laget ganske raskt en kravspesifikasjon som beskrev erfaringen vi hadde fra før, hele systemet, og hva vi ville trenge av en PLS. Denne brukte vi til å sende til leverandører, samt de vi kjente i industrien for å få råd. For å kunne gå for et system, og for at prosjektet skulle være gjennomførbart, hadde vi i tillegg en del ikke-tekniske krav som alle måtte innfris; Vi måtte ha mulighet til å bruke, eller lære oss, programmeringsspråket til det aktuelle systemet. Vi måtte ha mulighet for support. Kostnad av lisens på programvare måtte være under et visst nivå. Pris på selve produktene måtte være kurante SIEMENS Vi sendte en mail til Siemens med kravspesifikasjonen hvor vi spurte etter noen som kunne hjelpe oss å finne aktuelle komponenter for å løse oppgaven. Til svar fikk vi at det ikke Figur 53 Siemens logo var noen på subseaavdelingen som hadde kapasitet til å hjelpe oss. Vi sendte svar tilbake at oppgaven ikke var spesifikk for subsea, og at vi i første omgang bare trengte å finne komponentene. Nesten to uker senere fikk vi svar igjen hvor de skrev at de dessverre ikke hadde tid til å hjelpe oss. Av denne korrespondansen skjønte vi at det ville bli veldig vanskelig å få den hjelpen vi trengte, skulle vi velge Siemens. Når vi i tillegg fant ut at lisens på nødvendig programvare for Siemens sitt utstyr er meget kostbart, ble vi enige om at dette alternativet ikke var aktuelt ABB Når det gjelder ABB, snakket vi med Kurt Hjertholm, som akkurat hadde skrevet hovedoppgave med deres system på linjen for automasjon ved Høgskolen i Bergen. Vi forklarte ham hvilket teknisk nivå vi da lå på når det kom til programmering av PLS-er, og spurte om det ville være praktisk mulig med dette systemet, Figur 54 ABB logo 70

71 at vi ville ha mulighet til å lære oss det nødvendige. Han mente det ville være nødvendig med et spesifikt kurs, som han også hadde tatt, for at det skulle gå. Vi tok kontakt med ABB, forklarte situasjonen, og spurte om det var mulig å få dette kurset dersom vi valgte å bruke deres utstyr i oppgaven. Dette viste seg å i utgangspunktet være forbeholdt studenter som skrev oppgave for dem. Dette grunnet begrenset læremateriell, modeller osv. Kurset kostet i tillegg kr ,- per person, og selv om vi hadde fått dette sponset, ville det ta for lang tid før det var ledig kapasitet, og vi ville måttet reise til Oslo for å ta delta på det. Et annet minus var at systemet for dokumentasjon på deler og komponenter var lite oversiktlig og det var utfordrende å finne ut hva man trengte i det MITSUBISHI For råd om Mitsubishi henvendte vi oss til Geir Omar Berland ved HIB. Han uttrykte at det vi spesifiserte vanligvis tar minst ett semester å lære, og at det ville kreve for mye assistanse for å gjennomføre med den vanlige serien av PLS-er som Mitsubishi produserer. Imidlertid nevnte han at vi kunne bruke en enklere serie som heter Mitsubishi Alpha. Vi prøvde oss litt frem i programvaren som hører til dette systemet, men fant fort ut at dette var for enkelt og ikke hadde de funksjonene vi ville trenge. Figur 55 Mitsubishi logo MOELLER Også her opplevde vi at funksjonene i tilhørende programvare var for enkle for det vi ville trenge. Figur 56 Möeller logo OMRON Fremdeles litt i villrede når det gjaldt valg av system, ringte vi til en annen bekjent vi visste jobbet med automasjon. Etter å ha hørt beskrivelsen av prosjektet og hvilke utfordringer vi hadde, mente han Omron var det beste Figur 57 Omron logo systemet for oss. Dette ble bekreftet etter å ha snakket med en slektning som viste seg å ha lang erfaring med dette systemet. Han viste eksempelprogrammer og fortalte om systemet de har for support, priser osv. Vi kontaktet Omron og spurte om et møte med selger for å finne komponenter osv. Dette ble ordnet ganske kjapt, og vi fikk laget en liste med deler vi trengte. Han ordnet i tillegg med programvare, kompendium og rabatt på 50%. Omron har et meget effektivt system for support, hvor man kan søke i tidligere spurte spørsmål, eller man kan stille nye. Dette fungerte meget bra, og det var ikke uvanlig å få svar i løpet av timer etter å ha sendt et spørsmål. Som oftest var det også eksempelfiler med i svaret, hvilket var til stor nytte. 71